核電廠應急柴油機配氣機構損壞原因及修復技術分析

康勇，高山，康毅，劉超，高敏，趙夢瑩

（山西柴油機工業有限責任公司，山西 大同 037036）

國內在核電生產方面，使用的應急柴油機仍然處于國產化早期，需要加強其質量控制研究，逐步縮短國家在核電設備研制方面與發達國家的差距，以推動國家核文化的健康發展。而配氣機構為柴油機的重要組成部分之一，運行狀態將決定了發動機能否可靠工作，因此在發生損壞時需要查找故障根源，合理應用修復工藝杜絕類似情況反復發生，從而提高核電廠設備管理水平。

1 核電廠應急柴油機質量管理要求

現階段，國內核電廠選用的應急柴油發電機多為進口或與外方合資產品，參照EJ/T625《核電廠備用電源用柴油發電機組準則》等規范進行設計、制造和維護管理。不同于普通柴油機，核電柴油機應結合運行環境特殊性和重要性加強質量管理，如需達到核電工況下連續工350h不停機、熱輻射、設備與船同壽命等多種要求，在滿足核級要求的同時應滿足GJB9001C等質保要求，從設計質量控制、總裝質量控制、核安全資格審查等方面提出相應管理要求，建立完整的核質量體系，推動核安全文化建設。在服役期間，應急柴油發電機應具備備用電源和冗余設備工作能力，在基準事件發生前后達到EJ/T625規范的運行小時數、循環次數等要求。因此針對柴油機運行的輔助機構和各系統，要求加強冗余設計，如起動系統同時配備電啟動和空氣啟動裝置，冷卻系統需要外帶水泵，控制系統采用主備用設計。而在柴油機各機構發生損壞時，則要求從研制、安裝、運行等多方面展開分析，確定機構損壞原因，采取有效修復工藝，杜絕類似問題再次發生，從而增強應急柴油機的可靠性。

2 核電廠應急柴油機配氣機構損壞分析

2．1 故障現象

某核電廠使用的應急柴油發電機屬于后備機組，要求在替代不可用發電機組時達到10s內達到6000kW額定功率運行要求。選用的設備為德國MTU生產的20V956TB33型號柴油機，擁有成60°V形分布的20個氣缸，屬于直噴、四沖程設備。但實際在設備變負荷試運行期間，發現A6缸出現冒煙情況，初步檢查確認進氣管位置發黃，立即對設備進行停機檢查，發現設備進、排氣門位置多處零部件發生損傷。進一步拆解檢查，確認近搖臂的進氣門桿彎曲變形，油道存在碎屑，氣門間隙的鎖緊螺母等配件松動。與此同時，進、排氣門的挺桿變形，滾子導套卡死，磨損嚴重。此外，凸輪軸瓦抱死，表面發黑，出現金屬熔化現象。

2．2 故障排查

2．2．1 損壞因素

在故障排查階段，首先應確定各零部件損壞可能與哪些因素相關。從結構上來看，配氣機構主要包含氣閥組件、傳動組件和凸輪軸組件。其中，氣閥組件由氣門、彈簧、萬向節構成等構成，能夠固定在氣缸蓋的位置。傳動組件由搖臂機構、挺桿等構成，可以將曲軸輸出動力通過各組件傳遞給氣閥，實現氣門開閉。凸輪軸組件包含滾子導套、軸瓦安裝軸徑等部分。在配氣機構運行的過程中，曲軸能夠通過齒輪箱帶動凸輪軸轉動，在轉過一定角度后通過凸輪將滾子導套定期。通過與搖臂機構配合，可以將氣閥打開，實現進排氣功能。考慮到零部件較多，需要對可能造成機構損壞的因素展開分析。

一方面，氣閥盤作為燃燒室一部分，需要承受高溫高壓燃氣作用，導致密封面容易受到磨損。而氣閥的開閉期間，將與閥座產生撞擊，久而久之可能出現變形問題。氣閥一旦出現粘著問題，將導致氣閥桿在套管中咬死，引發活塞撞擊、閥桿頂彎、搖臂斷裂等危害。而在萬向節和氣閥桿件連接部位，存在螺母能夠對二者間的間隙進行調整，以達到鎖緊效果，以免桿件因受熱出現伸長問題，給氣閥關閉帶來困難。而氣閥間隙超標，在熱量傳遞期間可能引發軸瓦燒毀，繼而導致傳動組件卡澀。

另一方面，凸輪軸通過傳動組件對氣閥開閉進行控制，是重要的傳動軸。而在凸輪軸運行期間，將承受氣閥沖擊，表面產生較大接觸應力，要求避免耐磨性、抗沖擊能力等較強。日常缺乏保養，造成凸輪軸軸徑和軸承間隙過大或缺少潤滑油，將出現無法上行至搖臂支座的情況。研制上存在缺陷，軸承油槽深度不足或各構件松脫漏油，將引發搖臂襯套燒損問題。而凸輪軸質量符合要求，也可能因日常使用潤滑油質量較差或氣門彈簧彈力過大引發零部件咬死問題，導致凸輪軸出現擦傷甚至變形情況，給齒輪嚙合間隙的傳動效果帶來影響，造成配氣定時有所改變。修理不規范，導致軸承與缸體座孔過盈量過小，軸承容易發生滾動情況，導致油孔與油道錯位，引發缺油問題。此外，凸輪磨損嚴重，影響截面空氣流通和配氣定時，也將引發機構故障。

2．2．2 排查方法

在故障排查時，需要遵循“由表到里”的原則，將氣缸蓋等外部構件拆下后，對各缸組件進行檢查，確認連接情況。通過手動盤車，確定各氣門開閉情況，并做好氣門間隙檢查，確認是否達到標準要求。將搖臂拆下，檢查軸、座等各部分是否損傷，并對氣門推桿進行檢查對比，確認是否存在變形等問題。對凸輪軸進行檢查，使用扎帶將連著的各缸挺桿向上綁緊，將前端止推片拆下，進行邊旋轉邊抽拉，確認是否與挺桿脫離和表面受損情況。考慮到實際受損部件較多，需要通過進一步分析確定最初損壞部件。為此，需要對各部件進行形貌觀察，確定部件損傷程度。對A6缸滾子導套卡死原因展開分析，發現與潤滑不良引發的冷焊抱死問題有關。按照配氣機構設計，潤滑油除了為挺桿、導套等部分潤滑，同時需要為A5缸提供密封油。對油道進行檢查，發現來自于A6缸凸輪軸瓦掉落的金屬碎屑。而氣門間隙不符合規定，不會給軸瓦帶來過大損傷。由此可見，最先損壞的部件為軸瓦，掉落碎片進入油道引發了潤滑油流動性變差問題，導致導套卡死和氣門粘滯，活塞撞入氣門，給其他零部件帶來了損傷。

2．3 原因確認

確定軸瓦最先損壞后，需要進一步確認其損壞原因。為滿足核電站柴油機質量管理要求，從軸瓦研制、安裝、運行工況等多個角度展開分析。

（1）對零部件研制質量進行分析，可知軸瓦由內層鑄態金屬和外層碳鋼構成。拆解后發現，內層發生磨損，導油槽周圍氧化、發黑，部分被銅合金填充。外層磨損較少，通過掃描電鏡進行檢查，發現磨損呈現環向犁溝狀，存在氧化層。通過金相組織分析，可知內層的銅合金存在熔化變形情況，引發第二相外溢。對外層展開分析，發現碳鋼層組織出現相變情況，受損位置滲入銅金屬。通過檢查結構硬度，發現內層硬度有所提升，外層有所下降，因此判斷軸瓦設計和制造質量符合要求，燒損與同時承受高溫和應力作用有關。

（2）對軸瓦安裝情況展開分析，對A列各缸凸輪軸進行檢查，確認進油孔、軸徑等各部分尺寸是否符合要求。通過逐一檢查后，發現A6軸瓦安裝間隙超標，其他均正常。從軸瓦結構上來看，其基座為橢圓形，設計的內徑為138.000mm，外徑為138.135mm，偏差均在0～0.025mm范圍內。在軸瓦裝配過程中，安裝后內徑達到130.035mm，偏差在0～0.055mm之間，軸徑達到130.000mm，偏差在-0.125～-0.085mm范圍。但從A6缸軸瓦檢查結果來看，瓦座直徑達到137.93mm，比標準值要小。對備件庫中軸瓦進行檢查，選擇外徑最小軸瓦安裝，發現內徑仍然未能達到標準要求，與軸徑間的間隙達到了0.085mm，意味著裝配后與瓦座配合將出現過盈問題。而隨著瓦座內容外擴，內縮日漸嚴重，運行間隙逐漸減小，導致結構承載力不足。

（3）對零部件運行情況進行調查，確認在柴油機完成裝配后運輸到國內進行驗收測試，自投入使用以來經歷了300多次啟動，運行時間總計不超380h。根據數據記錄，可知在此次故障發生前柴油機運行狀態穩定，A9缸并未出現異常報警。此次對設備進行磨合試驗，潤滑油進口溫度未能達到規定值，繼而發出報警。根據平時運行工況和設備保養記錄等各方面數據可知，日常落實了潤滑工作，因此軸瓦損傷與工況無關。

綜上所述，可知軸瓦率先發生損傷，與安裝間隙不符合設計標準有關。為確定故障原因，采用動力學軟件進行仿真分析，對軸瓦內徑進行定量分析，確定偏差存在給結構總載荷、熱負荷等各方面帶來的影響。結合正常工況條件，設定配氣機構供油壓力達到9.69Bar，柴油機以1500rpm的速度運行，進口油溫設定為試驗時的溫度。在試驗過程中，使軸瓦間隙分別達到0.08、0.05、0.03、0.01mm，能夠得到A6缸熱負荷分別為47、44、68和105N/mm·s。由此可見，隨著間隙的減少，軸瓦運行溫度經歷先減小后增大趨勢，最后遠超85℃的報警溫度。而熱負荷過大，將導致軸瓦內層加速氧化，產生沉積物給結構傳熱帶來阻礙，最終導致軸瓦燒損。

3 核電廠應急柴油機配氣機構修復技術

3．1 修復措施

對凸輪軸瓦進行修復，可知由于設備內部結構空間較為緊湊，給拆卸、檢修等作業開展帶來了較多困難。在檢修經驗不足的情況下，現場開展作業將耗費較長時間。為提高設備修復效率，決定在不對發電機側進行拆卸的基礎上將凸輪軸抽出，然后進行凸輪軸修復。具體來講，就是在機頭方向將軸抬起、抽出，為此需要結合作業空間大小完成專用工具的制作。該工具由多個節段構成，現場可以靈活組裝，配合人員順利將凸輪軸抬起。將凸輪軸拆下后，針對軸瓦座孔配合間隙超標準的問題，在使用激光測量技術完成間隙高精度測量后，對軸瓦座內徑和對中度進行測量，選用適合的軸瓦備件安裝，做好相關尺寸測量。在安裝過程中，為避免間隙偏差過大引發受力不均問題，需要指導和監督檢修技術人員規范作業，做到準確測量各部件結構尺寸，最終成功消除故障。為杜絕類似問題再次發生，主動與柴油機廠家溝通，確認凸輪軸在制造階段不會在安裝后進行內徑檢測。通過將相關問題反饋廠家，督促廠家進行工藝流程改進，能夠有效提高柴油機配氣機構裝配質量，降低柴油機運行風險。

3．2 使用管理

從加強核電廠應急柴油機研制質量、安裝質量等各方面質量工作角度進行考量，在引進進口設備進行生產管理的過程中，還應重視設備使用管理問題，通過反復研究提出有效質量控制措施，保證柴油機能夠可靠運行。針對配氣機構，在使用過程中應加強對各零部件的檢修、保養，并結合實際使用情況進行適當改進和調整，確保機構始終處于良好運行狀態。首先，針對氣閥組件，還應做好冷態間隙、配氣定時等參數檢查。確保間隙適中，不會因過小引發氣閥密閉不嚴的問題，也不會因為過大造成氣閥粘滯，引發燃燒工況惡化情況。對配氣定時進行調整，應結合定時齒輪、挺桿等結果磨損情況進行確認。在日常完成檢修后，應利用百分表加強測量，保證定時準確。其次，針對凸輪軸等容易受損的零部件，應定期進行檢查和修理，確保可以恢復到正常狀態。如對搖臂圓弧面進行修正，并及時進行挺桿盤面凹坑和凸輪曲面修正等。此外，日常應做好各種間隙和接觸位置的潤滑，減少磨損的發生。定期對各部件潤滑情況進行檢查，及時更換或添加潤滑油，保證油路暢通，油液充足，并使壓力潤滑部位保持良好密封狀態。

4 結語

對應急柴油機配氣機構損壞現象展開分析，可知故障發生可能與設備研制質量、安裝質量等各方面因素有關。而核電廠在柴油機使用方面提出了較高質量管理要求，因此應通過逐一排查導致設備受損因素確定故障發生的根本原因。根據分析結果來看，凸輪軸瓦在安裝期間出現了偏差過大問題，在修復過程中應對原本安裝工藝進行改造，并引進有效測量技術，日常則應加強設備使用管理，達到降低柴油機運行風險的目標。